DE102012110701A1 - Heat exchanger for a refrigerant circuit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen bidirektional durchströmbaren Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus und der Wärmeübertrager (1) ausgebildet, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels vom Betriebsmodus abhängig ist. Ein erster, mehrflutig ausgebildeter Wärmeübertrager (1) weist Sammelrohre (2, 3), Strömungspfade, welche jeweils zu einer Flut zugeordnet sind, und Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres (2, 3) in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die erste Flut des Wärmeübertragers (1) ist mit einem größeren Strömungsquerschnitt sowie einer größeren Wärmeübertragungsfläche als die letzte Flut ausgebildet. Bei einem zweiten Wärmeübertrager (1) ist ein Kältemitteldurchlass (4) mit einem Anschlussblock (28) für den Anschluss einer Kältemittelleitung (27) ausgebildet, wobei zwischen dem Sammelrohr (2) und dem Anschlussblock (28) eine als zusätzliche Fluid-Verbindung zum Kältemitteldurchlass (4) ausgebildete Kurzschlussleitung (29) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens eines Sammelrohres (2, 3) eines Wärmeübertragers (1). Innerhalb des Sammelrohres (2, 3) ist mindestens ein bewegliches Trennelement (13, 13') angeordnet, welches auf dem Differenzdruckprinzip basierend ausgebildet ist und je nach Ausrichtung innerhalb des Sammelrohres (2, 3) und anliegender Druckdifferenz eine Öffnung freigibt oder verschließt.The invention relates to a bidirectional heat exchanger (1) of a refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle. The air conditioning system is designed for combined operation in refrigeration and heating mode and the heat exchanger (1), the direction of flow of the refrigerant being dependent on the operating mode. A first, multi-flow heat exchanger (1) has manifolds (2, 3), flow paths which are each assigned to a flow, and means for dividing the inner volume of at least one manifold (2, 3) into independent areas. The first flow of the heat exchanger (1) is designed with a larger flow cross-section and a larger heat transfer surface than the last flow. In a second heat exchanger (1), a refrigerant passage (4) with a connection block (28) for connecting a refrigerant line (27) is formed, with one as an additional fluid connection to the refrigerant passage between the collecting pipe (2) and the connection block (28) (4) formed short-circuit line (29) is arranged. The invention also relates to a device for subdividing the inner volume of a collecting pipe (2, 3) of a heat exchanger (1). Inside the manifold (2, 3) there is at least one movable separating element (13, 13 ') which is based on the differential pressure principle and, depending on the orientation within the manifold (2, 3) and the pressure difference present, opens or closes an opening.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Der Wärmeübertrager weist Sammelrohre auf und ist mehrflutig sowie bidirektional durchströmbar ausgebildet. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus vorgesehen. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers ist vom Betriebsmodus abhängig. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres und zur Strömungsumlenkung des Fluids im Sammelrohr eines Wärmeübertragers.The invention relates to a heat exchanger of a refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle. The heat exchanger has manifolds and is formed mehrflutig and bidirectional flow. The air conditioner is intended for combined operation in refrigeration and heating modes. The flow direction of the refrigerant inside the heat exchanger depends on the operating mode. The invention further relates to a device for dividing the inner volume of the manifold and for the flow deflection of the fluid in the manifold of a heat exchanger.
Herkömmliche Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen sind als kombinierte Kälteanlagen- und Wärmepumpensysteme ausgebildet. Der im Kälteanlagenmodus als Kondensator zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft vorgesehene Wärmeübertrager wird im Wärmepumpenmodus als Verdampfer zur Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft betrieben.Conventional air conditioning systems in motor vehicles are designed as combined refrigeration system and heat pump systems. The heat exchanger provided in the cooling system mode as a condenser for dissipating heat from the refrigerant to the ambient air is operated in the heat pump mode as an evaporator for absorbing heat from the ambient air.
Nach dem Stand der Technik sind als Kondensatoren eingesetzte Wärmeübertrager als mehrflutige Wärmeübertrager, beispielsweise mit einer Unterkühlstrecke und einem integrierten Hochdrucksammler, ausgebildet. Im Kältemittelkreislauf von automobilen Klimaanlagen weisen die Kondensatoren üblicherweise zwei oder vier Fluten auf. Die wärmeübertragende Fläche wird aus Flachrohrprofilen ausgebildet, welche luftseitig mittels Rippen verbunden werden. Bei der Herstellung des Wärmeübertragers werden die Flachrohrprofile kältemittelseitig mit beiden Enden in geschlitzte Sammelrohre eingesteckt und verlötet. Zur Umlenkung der Richtung des Kältemittelmassenstromes sind Trennelemente vorgesehen. In die Außenseite des Sammelrohrs wird an der Position der gewünschten Umlenkung ein Schlitz in die Wandung eingebracht, beispielsweise durch Fräsen oder Stanzen, und der Strömungsquerschnitt des Sammelrohrs mit einem gestanzten Plättchen verschlossen. Das Plättchen entspricht dabei dem Trennelement. Mittels der Verwendung der Trennelemente wird der Wärmeübertrager zum Beispiel in zwei oder vier Teilbereiche, die sogenannten Fluten, aufgeteilt. Der Einsatz einer Anzahl n Trennelemente bewirkt die Aufteilung des Wärmeübertragers kältemittelseitig in eine Anzahl von n + 1 Fluten. Speziell bei Wärmeübertragern, welche beim Betrieb im Kälteanlagenmodus von Klimaanlagen als Kondensatoren eingesetzt werden, gehört bei Systemen mit thermostatischen Expansionsventilen ein zwischen der vorletzten und der letzten Flut angeordneter Hochdrucksammler zum Stand der Technik. Der Sammler ist am Kondensator angeordnet ausgebildet. Im Sammler werden die Phasen des fast vollständig kondensierten Kältemittels voneinander getrennt. Das abgeschiedene flüssige Kältemittel strömt im Anschluss durch die letzte Flut des Kondensators. Die letzte Flut wird damit bevorzugt mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt, welches eine deutlich höhere Dichte als das gasförmige Kältemittel aufweist und einen geringeren Strömungsquerschnitt als das Zwei-Phasen-Gemisch benötigt. Aus diesem Grund wird im Stand der Technik die letzte Flut als Unterkühlstrecke mit signifikant weniger Flachrohren als die vorherigen Fluten ausgebildet. Zusätzlich kann der Kondensator ein Filtersieb und ein Trocknungsmittel aufweisen.According to the prior art, heat exchangers used as condensers are designed as multi-flow heat exchangers, for example with a subcooling section and an integrated high-pressure collector. In the refrigerant circuit of automotive air conditioning systems, the capacitors usually have two or four floods. The heat-transferring surface is formed from flat tube profiles, which are connected on the air side by means of ribs. In the manufacture of the heat exchanger, the flat tube profiles are inserted and soldered on the refrigerant side with both ends in slotted headers. For deflecting the direction of the refrigerant mass flow separating elements are provided. In the outside of the manifold, a slot is introduced into the wall at the position of the desired deflection, for example by milling or punching, and closed the flow cross-section of the manifold with a stamped plate. The plate corresponds to the separating element. By means of the use of the separating elements, the heat exchanger is divided, for example, into two or four subregions, the so-called floods. The use of a number n separating elements causes the distribution of the heat exchanger refrigerant side in a number of n + 1 floods. Especially in heat exchangers, which are used as condensers when operating in the refrigeration system mode of air conditioners, belongs in systems with thermostatic expansion valves arranged between the penultimate and the last high-pressure accumulator to the prior art. The collector is arranged on the capacitor. In the collector, the phases of the almost completely condensed refrigerant are separated from each other. The separated liquid refrigerant then flows through the last flood of the condenser. The last flood is thus preferably applied with liquid refrigerant, which has a significantly higher density than the gaseous refrigerant and a smaller flow area than the two-phase mixture needed. For this reason, in the prior art, the last tide is formed as subcooling with significantly less flat tubes than the previous tides. In addition, the condenser may include a filter screen and a desiccant.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes im Wärmepumpenmodus wird der gleiche Wärmeübertrager als Verdampfer genutzt. Dabei wird das Kältemittel auf ein Druckniveau expandiert, dessen zugehörige Sättigungstemperatur niedriger ist als die Temperatur der Umgebungsluft. Das Kältemittel nimmt dabei Wärme aus der Umgebungsluft auf und verdampft. Das expandierte zweiphasige Kältemittel durchströmt die ursprüngliche Unterkühlstrecke und verdampft. Dieser Abschnitt des nunmehr als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, welcher eigentlich für die Durchströmung mit flüssigem Kältemittel und erheblich größerer Dichte mit einer geringen Flachrohranzahl und somit geringerem Strömungsquerschnitt ausgelegt ist, wird im Wärmepumpenmodus einen sehr hohen Druckverlust aufweisen, da sich mit zunehmender Verdampfung die Dichte des Kältemittels verringert. Aufgrund des niedrigen Druckniveaus ist die Dichte des Kältemittels beim Betrieb im Wärmepumpenmodus auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes sehr gering, sodass zusätzliche Strömungsdruckverluste die Leistungsfähigkeit und die Effizienz des Wärmepumpensystems signifikant negativ beeinflussen.When operating the refrigerant circuit in the heat pump mode, the same heat exchanger is used as evaporator. In this case, the refrigerant is expanded to a pressure level whose associated saturation temperature is lower than the temperature of the ambient air. The refrigerant absorbs heat from the ambient air and evaporates. The expanded two-phase refrigerant flows through the original subcooling section and evaporates. This section of the now operated as an evaporator heat exchanger, which is actually designed for the flow with liquid refrigerant and significantly greater density with a small number of flat tubes and thus smaller flow cross-section will have a very high pressure drop in heat pump mode, as with increasing evaporation, the density of the refrigerant reduced. Due to the low pressure level, the density of the refrigerant when operating in the heat pump mode on the low pressure side of the refrigerant circuit is very low, so that additional flow pressure losses significantly affect the performance and efficiency of the heat pump system negative.
Zudem besteht beim Betrieb von Wärmepumpen mit einem Kältemittelkreislauf und Umgebungsluft als Wärmequelle bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C die Gefahr des Vereisens der Wärmeübertragungsflächen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers. Die mehrflutige Konstruktion des Wärmeübertragers, welche auf Grund der geringen Saugdichte des Kältemittels hohe kältemittelseitige Druckverluste bewirkt, führt zu einer zusätzlichen Absenkung der Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers und somit zu einer Erhöhung des Risikos der Vereisung.In addition, when operating heat pumps with a refrigerant circuit and ambient air as the heat source at ambient temperatures of less than 0 ° C, the risk of icing of the heat transfer surfaces of the operated as an evaporator heat exchanger. The multi-flow construction of the heat exchanger, which causes high refrigerant side pressure drops due to the low suction density of the refrigerant, leads to an additional lowering of the surface temperature of the heat exchanger and thus to an increase in the risk of icing.
Es sind Anordnungen von Komponenten in Kältemittelkreisläufen bekannt, bei denen der für die Beaufschlagung mit Außenluft ausgebildete Wärmeübertrager kältemittelseitig mit wechselnder Strömungsrichtung betrieben wird. Dabei wird der Wärmeübertrager derart beaufschlagt, dass das Kältemittel beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als Kondensator in einer ersten Strömungsrichtung durchströmt wird, während der Wärmeübertrager beim Betrieb im Wärmepumpenmodus als Verdampfer in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmt wird. Die Druckverluste des Kältemittels, insbesondere beim Betrieb des Wärmeübertragers als Verdampfer im Wärmepumpenmodus, werden damit verringert. Die Unterkühlstrecke des Kondensators im Kälteanlagenmodus wird im Wärmepumpenmodus somit nicht mit nahezu vollständig verdampftem oder gar überhitztem Kältemittel, sondern Kältemittel im zweiphasigen Zustand nach der Entspannung mit einer deutlich höheren Dichte durchströmt. Die nachteiligen sehr hohen Druckverluste im Wärmepumpenmodus werden allerdings nur verringert und nicht auf ein Optimum reduziert.There are arrangements of components in refrigerant circuits are known in which the formed for the application of external air heat exchanger is operated on the refrigerant side with changing flow direction. In this case, the heat exchanger is acted upon such that the refrigerant is flowed through during operation in the refrigeration plant mode as a condenser in a first flow direction, while the heat exchanger during operation in the Heat pump mode is flowed through as an evaporator in a second direction opposite to the first direction. The pressure losses of the refrigerant, in particular during operation of the heat exchanger as an evaporator in the heat pump mode, are thus reduced. The subcooling of the condenser in the refrigeration system mode is thus not flowed through in the heat pump mode with almost completely vaporized or even superheated refrigerant, but refrigerant in the two-phase state after relaxation with a much higher density. However, the disadvantageous very high pressure losses in the heat pump mode are only reduced and not reduced to an optimum.
Aus dem Stand der Technik geht auch hervor, wie mit einem im Kältemittelkreislauf bidirektional durchströmbar eingebundenen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft eine Vereisung der Wärmeübertragungsflächen beim Betrieb im Wärmepumpenmodus regelungstechnisch verhindert werden kann. Der Vorgang der Vereisung wird dabei beispielsweise entweder durch Abschalten der Wärmepumpe bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C vermieden oder der Kältemittelkreislauf wird zum Abtauen des Wärmeübertragers vom Wärmepumpenmodus in den Kälteanlagenmodus umgeschaltet und zumindest kurzzeitig im Kälteanlagenmodus betrieben. Allerdings führen die angegebenen Methoden zu einer sehr starken Leistungsreduzierung der Klimaanlage.From the state of the art also shows how with a bidirectionally flow-through integrated in the refrigerant circuit heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and the ambient air icing of the heat transfer surfaces during operation in heat pump mode can be prevented control technology. The process of icing is avoided, for example, either by switching off the heat pump at ambient temperatures of less than 0 ° C or the refrigerant circuit is switched to defrost the heat exchanger from the heat pump mode in the refrigeration system mode and operated at least temporarily in the refrigeration system mode. However, the methods given lead to a very strong reduction in performance of the air conditioner.
In der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen und zu verbessern, mit welchem sowohl beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als auch beim Betrieb im Wärmepumpenmodus maximale Wärmeleistungen bei minimalem Platzbedarf übertragbar sind. Dabei ist der kältemittelseitige Druckverlust zu optimieren, auch um das Vereisungsrisiko beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zu minimieren. Die Subkomponenten sowie das Herstellungsverfahren des Wärmeübertragers sollen keine zusätzlichen Kosten gegenüber bekannten Systemen verursachen. Dabei soll der Wärmeübertrager zudem für den Einsatz einer Regelungstechnik zur Vermeidung von Vereisung ausbildbar sein.The object of the present invention is to provide and improve a heat exchanger with which maximum heat outputs can be transmitted with minimal space requirements, both during operation in the refrigeration system mode and during operation in the heat pump mode. In this case, the refrigerant-side pressure loss is to be optimized, also to minimize the risk of icing when operating in heat pump mode. The subcomponents as well as the manufacturing process of the heat exchanger should not cause any additional costs compared to known systems. In this case, the heat exchanger should also be designed for the use of control technology to prevent icing.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gelöst, welcher als Komponente eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus vorgesehen. Der Wärmeübertrager weist ein erstes und ein zweites Sammelrohr, einen ersten und einen zweiten Kältemitteldurchlass zum Durchströmen des Kältemittels, eine Mehrzahl an Strömungspfaden sowie Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die Sammelrohre sind beabstandet, parallel zueinander ausgerichtet. Die Strömungspfade sind als parallel zueinander angeordnete Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren ausgebildet und jeweils zu einer Flut zugeordnet. Der Wärmeübertrager ist mehrflutig sowie bidirektional durchströmbar ausgebildet, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig ist. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus ist dabei entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus gerichtet. Die Sammelrohre dienen je nach Strömungsrichtung des Kältemittels und betrachtetem Bereich innerhalb des Sammelrohres auch als Verteiler des Kältemittels auf die unterschiedlichen Strömungspfade. Die Sammelrohre können, entsprechend ihrer differenzierten Funktion, auch als Verteilerrohre bezeichnet werden. Nach der Konzeption der Erfindung weist die erste Flut des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus einen größeren Strömungsquerschnitt sowie eine größere Wärmeübertragungsfläche auf als die letzte Flut. Zudem ist der erste Kältemitteldurchlass zum Einströmen des Kältemittels in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus mit einem größeren oder gleich großen Strömungsquerschnitt ausgebildet wie der zweite Kältemitteldurchlass zum Ausströmen des Kältemittels.The object is achieved by a heat exchanger according to the invention, which is designed as a component of a refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle. The air conditioner is intended for combined operation in refrigeration and heating modes. The heat exchanger has a first and a second manifold, a first and a second refrigerant passage for flowing through the refrigerant, a plurality of flow paths and means for dividing the inner volume of at least one collecting tube into independent regions. The headers are spaced, aligned parallel to each other. The flow paths are formed as mutually parallel fluid connections between the headers and each associated with a flood. The heat exchanger is formed mehrflutig and bi-directionally permeable, wherein the flow direction of the refrigerant in the interior of the heat exchanger is dependent on the operating mode of the air conditioner. The flow direction of the refrigerant in the refrigeration system mode is directed opposite to the flow direction of the refrigerant in the heat pump mode. Depending on the direction of flow of the refrigerant and the area under consideration within the collecting tube, the collecting tubes also serve as distributors of the refrigerant to the different flow paths. The headers can, according to their differentiated function, also referred to as distribution pipes. According to the concept of the invention, the first flow of the heat exchanger in the flow direction of the refrigerant in the refrigeration system mode has a larger flow cross-section and a larger heat transfer surface than the last flood. In addition, the first refrigerant passage for flowing the refrigerant in the flow direction of the refrigerant in the refrigeration system mode is formed with a larger or equal flow cross section as the second refrigerant passage for discharging the refrigerant.
Der Wärmeübertrager ist bevorzugt als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager: zur Wärmezufuhr von der Umgebungsluft an das Kältemittel und zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft oder die Umgebungsluft ausgebildet. Im Kälteanlagenmodus als erstem Betriebsmodus der Klimaanlage wird der Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler betrieben. Im Wärmepumpenmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle wird der Wärmeübertrager als Verdampfer mit Kältemittel beaufschlagt. Der Wärmeübertrager kann dabei ohne Unterkühlstrecke ausgebildet und in einem Kältemittelkreislauf ohne Sammler angeordnet sein. Das Kältemittel kann im Kälteanlagenmodus durch mindestens zwei Fluten des Wärmeübertragers strömen.The heat exchanger is preferably designed as a refrigerant-air heat exchanger: for supplying heat from the ambient air to the refrigerant and for dissipating heat from the refrigerant to the air or ambient air to be supplied to the passenger compartment. In the refrigeration system mode first Operating mode of the air conditioner, the heat exchanger is operated as a condenser / gas cooler. In heat pump mode with ambient air as the heat source of the heat exchanger is acted as evaporator with refrigerant. The heat exchanger can be formed without subcooling and arranged in a refrigerant circuit without a collector. The refrigerant can flow through at least two floods of the heat exchanger in the refrigeration system mode.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Kältemitteldurchlass zum Einströmen des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus einen inneren Durchmesser von größer als 8 mm auf. Der Durchmesser liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 10 mm bis 14 mm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Kältemitteldurchlass zum Ausströmen des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus einen inneren Durchmesser von größer als 6 mm auf. Der Durchmesser liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 6 mm bis 19 mm.According to one embodiment of the invention, the first refrigerant passage for the inflow of the refrigerant when operating in the refrigeration system mode has an inner diameter of greater than 8 mm. The diameter is preferably in a range of 10 mm to 14 mm. According to a further embodiment of the invention, the second refrigerant passage for discharging the refrigerant when operating in the refrigeration system mode has an inner diameter of greater than 6 mm. The diameter is preferably in a range of 6 mm to 19 mm.
Die Aufgabe wird zudem durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gelöst, welcher ein Sammelrohr, parallel zueinander angeordnete Strömungspfade sowie mindestens zwei Kältemitteldurchlässe aufweist. Der Wärmeübertrager ist bidirektional durchströmbar und die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers ist vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig. Das Kältemittel durchströmt je nach Strömungsrichtung die Strömungspfade, das Sammelrohr und den Kältemitteldurchlass oder den Kältemitteldurchlass, das Sammelrohr und die Strömungspfade nacheinander. Der Kältemitteldurchlass ist an der entgegengesetzt zum Sammelrohr ausgerichteten Seite mit einem Anschlussblock für den Anschluss einer Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufes ausgebildet. Konzeptionsgemäß ist zwischen dem Sammelrohr und dem Anschlussblock als zusätzliche Fluid-Verbindung zum Kältemitteldurchlass eine Kurzschlussleitung angeordnet. Die Kurzschlussleitung stellt somit eine zum Kältemitteldurchlass parallele Verbindung zwischen dem Sammelrohr und dem Anschlussblock dar.The object is also achieved by a heat exchanger according to the invention of a refrigerant circuit of an air conditioning system of a motor vehicle, which has a manifold, parallel flow paths and at least two refrigerant passages. The heat exchanger is bi-directionally permeable and the flow direction of the refrigerant inside the heat exchanger is dependent on the operating mode of the air conditioning. Depending on the flow direction, the refrigerant flows through the flow paths, the collecting pipe and the refrigerant passage or the refrigerant passage, the collecting pipe and the flow paths one after the other. The refrigerant passage is formed on the opposite side to the collecting pipe side with a connection block for connecting a refrigerant pipe of the refrigerant circuit. According to the concept, a short-circuit line is arranged between the collecting tube and the connection block as an additional fluid connection to the refrigerant passage. The short-circuit line thus represents a connection parallel to the refrigerant passage between the manifold and the terminal block.
Die Sammelrohre der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager sind bevorzugt vertikal ausgerichtet und horizontal zueinander beabstandet angeordnet. Die Strömungspfade sind horizontal ausgerichtet und vertikal zueinander beabstandet angeordnet. Die einzelnen, als Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren angeordneten Strömungspfade werden vorteilhaft aus Flachrohrprofilen ausgebildet. Die Flachrohrprofile weisen dabei eine Tiefe von weniger als 20 mm auf. Die Tiefe der Flachrohrprofile liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 mm bis 18 mm. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Flachrohrprofilen luftseitig Rippen angeordnet, welche die gleiche Tiefe wie die Flachrohrprofile aufweisen. Unter der Tiefe ist dabei die Abmessung der Flachrohrprofile in Strömungsrichtung der Luft und senkrecht zur Längsrichtung, in welcher das Fluid strömt, zu verstehen. Die Sammelrohre sind vorteilhaft einteilig oder zweiteilig ausgebildet und weisen einen Durchmesser beziehungsweise eine Breite auf, welche größer ist als die Tiefe der Flachrohrprofile.The headers of the heat exchanger according to the invention are preferably vertically aligned and arranged horizontally spaced from each other. The flow paths are horizontally aligned and arranged vertically spaced from each other. The individual flow paths arranged as fluid connections between the headers are advantageously formed from flat tube profiles. The flat tube profiles have a depth of less than 20 mm. The depth of the flat tube profiles is preferably in a range of 10 mm to 18 mm. According to one embodiment of the invention, ribs are arranged on the air side between the flat tube profiles, which have the same depth as the flat tube profiles. Under the depth of the dimension of the flat tube profiles in the flow direction of the air and perpendicular to the longitudinal direction in which the fluid flows, to understand. The headers are advantageously formed in one or two parts and have a diameter or a width which is greater than the depth of the flat tube profiles.
Die unterschiedliche Anzahl der vom Kältemittel durchströmten Fluten wird abhängig vom Betriebsmodus der Klimaanlage und damit abhängig von der Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Wärmeübertrager vorteilhaft angepasst, um die kältemittelseitigen Druckverluste zu minimieren und damit das Risiko der Vereisung der Wärmeübertragungsfläche beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zu verringern. Zudem wird die übertragene Wärmeleistung beim Betrieb im Kälteanlagenmodus optimiert.Depending on the operating mode of the air conditioning system and thus dependent on the flow direction of the refrigerant through the heat exchanger, the different number of floods traversed by the refrigerant is advantageously adjusted in order to minimize the refrigerant side pressure losses and thus reduce the risk of icing of the heat transfer surface when operating in heat pump mode. In addition, the transmitted heat output is optimized during operation in the refrigeration system mode.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zweiflutig durchströmbar ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus das Verhältnis der Anzahl der Flachrohrprofile der ersten Flut zur zweiten Flut im Bereich von 3 bis 5 liegt. Das Verhältnis liegt bevorzugt in einem Bereich von 3,5 bis 4,5.According to a first alternative embodiment of the invention, the heat exchanger is formed in a double-flow configuration, wherein the ratio of the number of flat tube profiles of the first flow to the second flow is in the range from 3 to 5 in the flow direction of the refrigerant in the refrigeration system mode. The ratio is preferably in a range of 3.5 to 4.5.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager vierflutig durchströmbar ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus das Verhältnis der Anzahlen der Flachrohrprofile der nacheinander durchströmten Fluten 19:13:10:6 beträgt. Die Flachrohrprofile weisen dabei vorteilhaft eine Tiefe im Bereich von 15 mm bis 17 mm und eine Höhe im Bereich von 1,0 mm bis 1,6 mm auf. Unter der Höhe ist dabei die Abmessung der Flachrohrprofile senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft und senkrecht zur Längsrichtung, in welcher das Fluid strömt, zu verstehen.According to a second alternative embodiment of the invention, the heat exchanger is designed to flow in four-flow, wherein in the flow direction of the refrigerant in the refrigeration system mode, the ratio of the numbers of flat tube profiles of successively flowed through flows 19: 13: 10: 6. The flat tube profiles advantageously have a depth in the range of 15 mm to 17 mm and a height in the range of 1.0 mm to 1.6 mm. Under the height while the dimension of the flat tube profiles perpendicular to the flow direction of the air and perpendicular to the longitudinal direction in which the fluid flows, to understand.
Die Aufgabe wird des Weiteren mittels einer Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres und zur Strömungsumlenkung des Fluids im Sammelrohr eines Wärmeübertragers gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung ist innerhalb des Sammelrohres mindestens ein bewegliches Trennelement angeordnet. Die Bewegung des Trennelementes basiert dabei auf dem Differenzdruckprinzip und der Ausrichtung des Trennelementes innerhalb des Sammelrohres. Je nach anliegender Druckdifferenz auf den unterschiedlichen Seiten und der Ausrichtung des Trennelementes wird vom Trennelement eine Öffnung als Durchlass für das Fluid freigeben oder verschlossen. Das bewegliche Trennelement weist ein geradlinig bewegliches Verschlusselement und ein Anschlagselement auf. Im geschlossenen Zustand liegt das Verschlusselement am Anschlagselement an. Das Verschlusselement und damit das Trennelement sind in Richtung des vertikal ausgerichteten Sammelrohres angeordnet, welche im Folgenden auch als Längsrichtung bezeichnet wird.The object is further achieved by means of a device for dividing the inner volume of the manifold and for the flow deflection of the fluid in the manifold of a heat exchanger. According to the concept of the invention, at least one movable separating element is arranged within the collecting tube. The movement of the separating element is based on the differential pressure principle and the orientation of the separating element within the collecting tube. Depending on the applied pressure difference on the different sides and the orientation of the separating element, an opening as a passage for the fluid is released or closed by the separating element. The movable separating element has a rectilinearly movable closure element and a stop element. In the closed state, the closure element bears against the stop element. The closure element and thus the separating element are arranged in the direction of the vertically oriented collecting tube, which is also referred to below as the longitudinal direction.
Das Trennelement ist mit dem Anschlagselement und dem Verschlusselement bevorzugt mehrteilig ausgebildet. Das Anschlagselement weist vorteilhaft eine äußere Kontur auf, welche mit der inneren Kontur des Sammelrohres derart korrespondiert, dass zwischen den Konturen ein schmaler Spalt zum Verlöten mit einer Toleranz von +/–0,1 mm, bevorzugt +/–0,05 mm verbleibt.The separating element is preferably formed in several parts with the stop element and the closure element. The stop element advantageously has an outer contour which corresponds to the inner contour of the collecting tube such that a narrow gap for soldering remains between the contours with a tolerance of +/- 0.1 mm, preferably +/- 0.05 mm.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Anschlagselement eine innere Kontur auf, welche eine Öffnung als Strömungsquerschnitt für das Fluid ausbildet. Die Öffnung wird im geschlossenen Zustand des Trennelementes durch das Verschlusselement verschlossen. Von Vorteil ist, dass das Verschlusselement in einer Längsrichtung L geradlinig beweglich ausgebildet ist.According to a preferred embodiment of the invention, the stop element has an inner contour which forms an opening as a flow cross-section for the fluid. The opening is closed by the closure element in the closed state of the separating element. It is advantageous that the closure element is designed to be movable in a straight line in a longitudinal direction L.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Trennelement Mittel zur Führung der Bewegung des beweglichen Verschlusselementes relativ zum Anschlagselement auf. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung sind die innere Kontur des Anschlagselementes mit Ausformungen und das Verschlusselement mit einem Führungselement ausgebildet. Das Führungselement weist dabei bevorzugt die Form eines Stiftes auf, welcher sich senkrecht zur vom Verschlusselement aufgespannten Ebene in Längsrichtung L erstreckend, am Verschlusselement angeordnet ist. Das Führungselement ist an den Ausformungen anliegend in Längsrichtung L beweglich gehaltert. Die Ausformungen des Anschlagelementes und das Führungselement bilden damit eine Führung für das bewegliche Verschlusselement aus. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung ist das Trennelement mit Führungselementen zur Führung des beweglichen Verschlusselementes ausgebildet. Die Führungselemente sind dabei gleichmäßig am Umfang der inneren Kontur des Anschlagselementes am Anschlagselement angeordnet und als Kreissegmente mit einer Stufe ausgebildet. Die innere Kontur ist bevorzugt als kreisrunde Öffnung ausgebildet. Die zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen Flächen der Stufe, welche auf dem Anschlagselement aufsitzen, sind zur Führung des beweglichen Verschlusselementes vorgesehen und korrespondieren mit der Seitenfläche des Verschlusselementes. Die Führungselemente sind zudem vorteilhaft als Auflage und Befestigung eines zweiten Anschlagselementes für das Verschlusselement ausgebildet.According to a development of the invention, the separating element has means for guiding the movement of the movable closing element relative to the stop element. According to a first alternative embodiment, the inner contour of the stop element with formations and the closure element are formed with a guide element. The guide element preferably has the shape of a pin, which is arranged perpendicular to the plane spanned by the closure element in the longitudinal direction L extending on the closure element. The guide element is movably supported on the formations in the longitudinal direction L. The formations of the stop element and the guide element thus form a guide for the movable closure element. According to a second alternative embodiment, the separating element is formed with guide elements for guiding the movable closure element. The guide elements are arranged uniformly on the circumference of the inner contour of the stop element on the stop element and formed as a circle segments with a step. The inner contour is preferably formed as a circular opening. The circular arc-shaped surfaces of the step, which are aligned with the center of the circle and which rest on the stop element, are provided for guiding the movable closure element and correspond with the side surface of the closure element. The guide elements are also advantageously designed as a support and attachment of a second stop element for the closure element.
Das zweite Anschlagselement ist bevorzugt in Höhe der Stufe des Führungselementes beabstandet zum ersten Anschlagselement angeordnet. Das Verschlusselement ist dabei vorteilhaft in Längsrichtung beweglich zwischen den Anschlagselementen gehaltert und kreisrund ausgebildet. Am äußeren Umfang des Verschlusselementes sind in der Längsrichtung ausgerichtet Öffnungen vorgesehen, welche von besonderem Vorteil derart ausgebildet sind, dass beim Anliegen des Verschlusselementes am Anschlagselement mindestens jeweils ein Teil der Öffnung einen Durchlass für das Fluid freigeben.The second stop element is preferably arranged at the level of the step of the guide element spaced from the first stop element. The closure element is advantageously supported in the longitudinal direction movable between the stop elements and formed circular. On the outer circumference of the closure element openings are provided aligned in the longitudinal direction, which are particularly advantageously designed such that release at least one part of the opening release a passage for the fluid when abutment of the closure element on the stop element.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Führung der Bewegung des Verschlusselementes relativ zum Anschlagselement eine Verdrehung des Verschlusselementes verhindernd ausgebildet.According to a further embodiment of the invention, the means for guiding the movement of the closure element are designed to prevent rotation of the closure element relative to the stop element.
Nach der Konzeption der Erfindung ist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager innerhalb eines Sammelrohres mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres und zur Strömungsumlenkung des Fluids ausgebildet. Durch die Anordnung der Vorrichtung sind der Strömungsquerschnitt und/oder die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers dynamisch veränderbar und können je nach Betriebsmodus und Bedarf angepasst werden.According to the concept of the invention, the heat exchanger according to the invention is formed within a collecting tube with a device according to the invention for dividing the inner volume of the collecting tube and for the flow deflection of the fluid. The arrangement of the device, the flow cross-section and / or the heat transfer surface of the heat exchanger are dynamically changeable and can be adjusted depending on the operating mode and needs.
Bevorzugte Fluide sind Kältemittel als phasenwechselnde Wärmeträger, wie Kohlendioxid (R744), R134a, HFO1234yf oder Kältemittelgemische.Preferred fluids are refrigerants as phase-changing heat carriers, such as carbon dioxide (R744), R134a, HFO1234yf or refrigerant mixtures.
Weitere Vorteile des Wärmeübertragers beziehungsweise der Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres eines Wärmeübertragers gegenüber dem Stand der Technik lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
- – Flachrohrprofile, Sammelrohre und Rippenstrukturen als Subkomponenten sowie das Herstellungsverfahren des Wärmeübertragers verursachen keine zusätzlichen Kosten,
- – in Bezug zu Wärmeübergang und Druckverlust optimierte Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche im Kälteanlagen- und im Wärmepumpenmodus,
- – Minimierung des Risikos der Vereisung im Wärmepumpenmodus,
- – Vermeidung eines Leistungsverlustes der Klimaanlage beim Betrieb im Wärmepumpenmodus während des Abtauens,
- – Übertragung der maximalen Leistung an das Kältemittel,
- – Steigerung der Effizienz beim Betrieb eines (Zu-)Heizsystems, dabei Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen.
- - Flat tube profiles, manifolds and ribbed structures as subcomponents, and the manufacturing process of the heat exchanger do not incur additional costs
- Optimized distribution of the heat transfer surface in the refrigeration system and in the heat pump mode with respect to heat transfer and pressure loss,
- - minimize the risk of icing in heat pump mode,
- Avoidance of power loss of the air conditioner when operating in heat pump mode during defrosting,
- Transmission of the maximum power to the refrigerant,
- - Increasing the efficiency of operating a (Zu-) heating system, while reducing fuel consumption and increasing the range of electric vehicles.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
In
In
Die Trennelemente
Die zweite Flut wird vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung der ersten Flut durchströmt. Das Kältemittel wird im unteren Bereich des ersten Sammelrohres
Im Vergleich zum Kälteanlagenmodus wird der Wärmeübertrager
Das Kältemittel tritt durch den zweiten Kältemitteldurchlass
Mit Hilfe der Ausbildung der Trennelemente
Die die Strömungspfade des Kältemittels zwischen den Sammelrohren
Der erste Kältemitteldurchlass
Die Sammelrohre
In den
Die Trennung der Fluten erfolgt in den Sammelrohren
Die beweglichen Trennelemente
Jedes Trennelement
Beim Betrieb des Wärmeübertragers
Beim Betrieb des Wärmeübertragers
Die geradlinig beweglichen Verschlusselemente
Die Flachrohrprofile
Das Trennelement
In den
Das Umlenkblech
Die innere Kontur
Das Umlenkblech
Die Ausformungen
In den
Das Anschlagselement
Im Zwischenraum zwischen der Fläche
Das kreisrund ausgebildete zweite Anschlagselement
Die in Längsrichtung L ausgerichteten Öffnungen
Das Verschlusselement
Der geringer werdende Strömungsquerschnitt im Wärmeübertrager
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- WärmeübertragerHeat exchanger
- 22
- erstes Sammelrohrfirst manifold
- 33
- zweites Sammelrohrsecond manifold
- 44
- erster Kältemitteldurchlassfirst refrigerant passage
- 55
- zweiter Kältemitteldurchlasssecond refrigerant passage
- 66
- Strömungsrichtung KältemittelFlow direction of refrigerant
- 6I 6 I
- Strömungsrichtung Kältemittel im KälteanlagenmodusFlow direction of refrigerant in refrigeration system mode
- 6II 6 II
- Strömungsrichtung Kältemittel im WärmepumpenmodusFlow direction of refrigerant in heat pump mode
- 77
- statisches Trennelementstatic separating element
- 88th
- Flächearea
- 99
- Umrandungborder
- 1010
- Symmetrieebeneplane of symmetry
- 1111
- Arretierelementlocking
- 1212
- Halteelementretaining element
- 13, 13'13, 13 '
- bewegliches Trennelementmovable separating element
- 14, 14'14, 14 '
- geradlinig bewegliches Verschlusselement, Schließblechrectilinearly movable closure element, strike plate
- 15, 15'15, 15 '
-
Anschlagselement für Verschlusselement
14 , UmlenkblechStop element forclosure element 14 , Baffle - 1616
-
geschlitzte Öffnung im Sammelrohr
2 ,3 slotted opening in themanifold 2 .3 - 1717
- FlachrohrprofilFlat tube profile
- 18, 18'18, 18 '
-
innere Kontur des Umlenkbleches
15 ,15' inner contour of thebaffle 15 .15 ' - 1919
-
äußere Kontur des Schließbleches
14 outer contour of thestriking plate 14 - 2020
-
Ausformungen der inneren Kontur
18 Formations of theinner contour 18 - 2121
-
Einschnitte der äußeren Kontur
19 Incisions of theouter contour 19 - 22, 2322, 23
- Führungselementguide element
- 2424
-
zweites Anschlagselement für Verschlusselement
14' second stop element for closure element14 ' - 2525
- Öffnungopening
- 2626
- Spaltgap
- 2727
- KältemittelleitungRefrigerant line
- 2828
- Anschlussblockterminal block
- 2929
- KurzschlussleitungShort-circuit line
- LL
- Längsrichtunglongitudinal direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1895255 B1 [0008] EP 1895255 B1 [0008]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN 1.4301 [0063] DIN 1.4301 [0063]
Claims (16)
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